基于液相激光制备技术的硒胶体与纳米硒化亚铜的绿色合成研究

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经过多年的研究和发展,纳米材料已经在众多领域内产生了广泛而深刻的影响,有关纳米材料制备的研究更是吸引了众多科研工作者的目光。在这些制备方法中,液相激光制备技术因其快速、“绿色”等独特的优势在纳米材料合成方面发挥了重要的作用。基于液相激光技术,本文在硒胶体的制备和纳米硒颗粒的尺寸调控等方面进行了深入的研究,通过对注入激光能量和硒纳米颗粒温度数量关系的计算研究揭示了激光诱导纳米硒颗粒形状和尺寸变化的原因。在此基础上,通过对制备得到的硒胶体进行充分表征和分析,发掘了其作为绿色便捷合成纳米Cu2-xSe颗粒前驱体的应用,通过与商用铜片的浸泡接触,便可以自发进行一系列闭环反应,以一种温和、高效、环保的方法实现了纳米Cu2-xSe颗粒的大规模制备。此外,本研究还对获得的纳米Cu2-xSe颗粒的光热和抗菌性能进行了表征和分析,探索了其作为一种纳米无机双功能抗菌剂的应用潜力。论文主要研究内容和成果如下:(一)采用激光辐照分散在去离子水中的硒粉的方法,成功制备了均匀稳定的硒胶体。并且通过控制入射激光的能量和辐照时间以及硒粉悬浮液质量浓度等参数的方法,实现了对硒胶体中硒纳米颗粒平均粒径的调控。此外,本文对激光诱导硒纳米颗粒形状变化与尺寸减小的原因进行了探究和阐释。研究发现在硒胶体浓度确定的前提下,入射激光的能量和辐照时间对胶体中硒纳米颗粒尺寸有直接的影响,具体地说,当激光能量能够对硒颗粒产生影响时,随着辐照时间的延长,纳米硒的尺寸会逐渐减小并最终稳定。而硒颗粒的最终直径与入射激光能量相关,能量越高,最终直径越小,但是,颗粒尺寸的减小也存在一个阈值直径。这是因为激光对硒颗粒的加热作用,使得硒颗粒的瞬间温度能够达到其熔沸点,颗粒发生熔融重塑和光热蒸发。而胶体中存在的蒸发-沉积动态平衡限制了颗粒直径的无限减小。(二)非化学计量比纳米Cu2-xSe材料因其优异的热电、光电和催化性能受到广泛关注。然而,常规化学合成中不可避免的非环境友好操作阻碍了Cu2-xSe纳米颗粒的绿色便捷高效生产。本文初步揭示了在脉冲激光产生的硒胶体溶液中H2Se O3和硒纳米颗粒共存的事实。基于此,在本文中首次提出了一种绿色生产C u2-xSe纳米颗粒的闭环反应模式。在这种循环反应中,H2Se O3作为引发剂氧化铜片并释放Cu+离子,Cu+离子能够催化硒纳米颗粒的歧化形成Se2-和Se O32-离子,Se2-和Cu+结合生成Cu2-xSe纳米颗粒,而Se O32-离子促进铜片继续生成Cu+。在实验中,将足够的铜片浸入70℃的硒胶体溶液中,在硒源耗尽之前,Cu2-xSe纳米颗粒可以不断产生,硒元素的转化率可达75%以上。激光照射时间与硒纳米粒子的大小呈负相关,但是对溶液的p H值影响不明显,这两个因素对于Cu2-xSe纳米粒子的高产率至关重要。在铜片耗尽之前,可以连续添加硒胶体溶液,而不影响产品质量和转化率。这种绿色生产方案提供了大规模生产Cu2-xSe纳米材料全新的策略。
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